90°環形加勁的KT型管板節點破壞機理研究

摘要：為KT型節點的設計提供理論依據，選取4個90°環形加勁的KT型管板節點開展試驗研究和數值分析，討論了節點的破壞過程和破壞模式。研究結果表明，節點的失效是由主材和環板的剛度共同作用的結果，節點的失效發生在剛度較弱的部分。當環板尺寸較小時，節點的失效表現為“組合變形”，主材發生凹陷和環板發生翹曲。當環板的高度或厚度較大時，節點的失效表現為“主材變形”，即主材發生凹陷而環板基本不變形。對比節點的承載力結果發現，當主材規格確定后，90°環板加勁的設計存在最優值，尺寸過大的加勁板對于節點承載力的提高作用不明顯。最終，通過回歸分析提出了90°環板的尺寸設計建議范圍。

關鍵詞：管板節點；KT型節點；環形加勁，破壞形態；試驗

中圖分類號：TQ050.3文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0103-04

Study on the failure mechanism of KT tube sheet joints with 90°annular stiffening

LIAN Jiye1，HUANG Wenxuan1，LI Xiaolu2

（1.Guangdong Shunde Power Design Institute Co.，Ltd.，Foshan 528000，Guangdong China；

2.School of Civil Engineering，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471000，Henan China）

Abstract：In order to provide a theoretical basis for the design of KT joints，four KT tube-sheet joints with 90°an?nular stiffener were selected for experimental research and numerical analysis，and the failure process and failure mode of the joints were discussed.The results showed that the failure of the joint was the result of the joint action of the stiffness of the main material and the ring plate，and the failure of the joint occured in the part with weak stiff?ness.When the size of the ring plate was small，the failure of the node was manifested as“combined deformation”，and the main material was dented and the ring plate was warped.When the height or thickness of the ring plate was large，the failure of the node was manifested as“main material deformation”，that was，the main material was con?cave and the ring plate was basically not deformed.Comparing the bearing capacity results of the joint，it was found that when the specification of the main material was determined，there was an optimal value in the design of the stiff?ening of the 90°ring plate，and the oversized stiffener plate had no obvious effect on the improvement of the bearing capacity of the joint.Finally，through regression analysis，the recommended range of size design of the 90°ring plate was proposed.

Key words：tube sheet joints；KT-type joint；ring stiffener；destructive mode；trial

管板節點因其連接方便的優點在輸電塔中得到應用[1-2]。對無加勁的管板進行了研究，發現管板節點的失效以主材發生凹陷為主[3-4]。因此，加強勁常被用在管板節點中以提高節點的承載性能。目前，加強勁在方形管、圓管和鋼管混凝土節點中都已有應用[5-7]。帶加勁的空心鋼管節點常被稱作環板節點。在斷線或強風等極端荷載下，加勁會和主材管壁區域同時發生局部屈曲，造成節點失效。這也說明，節點的破壞是環板和節點主材耦合作用的結果[8]。在對環板進行設計時，90°或者180°環板常用在單K或90°雙K節點中[9]，全環板常用在空間節點中[10]。研究了90°或180°環板節點的受力性能，發現90°環形加勁的節點失效會表現為環板和主材同時變形，或者只有主材變形[11-12]。探討了環形加勁節點在輔材軸向力作用下的力學性能[13-15]，進一步探討了多環板節點的力學性能[16-17]。研究表明，環形加勁與主材連接處在斷線和大風等不利工況下會產生應力集中，因此連接區域的焊縫質量會直接影響節點的性能[18]。研究選取帶90°環形加勁的KT型節點為對象，通過試驗和仿真分析研究節點的破壞過程和破壞模式，探討了節點的破壞機理，提出了90°環形加勁的設計建議。

1試驗概況和有限元建模

1.1試驗樣本及測點布置

管板節點由主材、輔材、節點板和螺栓等組成。節點板沿主材軸向焊接在主材一側，3根輔材通過螺栓連接在節點板上，在平面內與主材形成KT形。研究設計了4個試件，表1給出了試件的實測尺寸。

1.2材料試驗于主材和環板的應力和應變分布影響很小。

按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》對試件用到的材料進行了拉伸試驗。拉伸試驗的樣本與試驗材料取自同一批鋼材。試驗結果如表2所示。

1.3加載過程

試驗加載過程分2步進行，首先對主材進行均勻加載至設計荷載。然后保持主材荷載不變，對3根輔材按照5∶5∶2的比例進行加載，直至試件失效。在加載的過程中采集位移和應變的數據，并且拍照記錄試件變形情況。

1.4數值模擬

采用殼單元shell281在有限元中建立節點的有限元模型。由于在試驗中沒有觀察到節點焊縫和螺栓的破壞，在建模過程中對其進行了簡化，沒有建立焊縫模型。對于螺栓，運用耦合單元MPC184，將節點板和輔材插板上的同一位置的螺栓孔耦合在一個點上。焊縫和螺栓的簡化，會使其附近的應力與實際應力分布有所差距，但是根據圣維南原理，這種簡化對

2 KT型節點破壞過程和失效模式

圖1給出了試驗和仿真分析所得到的節點承載力結果和破壞形態。

由圖1可知，仿真分析和試驗結果能夠較好的吻合，說明仿真分析能夠較好地模擬試件的破壞過程和實現模式。根據觀察到的結果發現，KT型節點的破壞模式可分為2種情況：第1種在加載最終狀態，試件的主材發生顯著凹陷，同時環板發生顯著翹曲，如圖1（a）和圖1（b）所示，簡稱“組合變形”。第2種如圖1（c）和圖1（d）所示，試件主材發生明顯的凹陷而環板基本不變形，簡稱“主材變形”。圖2顯示了試件KT194×6-60×6應變測試結果。

由圖2可知，在加載初期，主材和環板上的測點應變均線性增加，說明荷載由主材和環板共同承擔；隨著荷載增加，關鍵位置的測點均有較大的增幅；最終節點失效模式表現為“組合變形”。

圖3給出了試件KT194×6-60×10應變測試結果。

由圖3可知，在加載初期，主材上的測點應變隨著荷載增加而線性增加，而環板上的測點應變值很小，均在±0.2με內，說明由于環板剛度較大，雖然承擔了荷載，但是變形很小。隨著荷載增加，主材的測點應變值迅速增加；但是環板的測點應變值只有小幅度的增加，最終節點失效表現為“主材變形”。

對比表1中試件的承載力結果，可以發現KT194×6-60×10、KT194×6-80×8和KT194×6-100×8這3個試件均為“主材變形”，三者的承載力結果非常接近，說明當節點的失效表現為“主材變形”后，環板尺寸承載力的影響很小。

3 KT型節點90°環板的設計建議

根據試驗的結果，進行了一系列仿真分析，討論環板規格對節點破壞模式的影響。為了消除量綱的影響，對環板的高度（R）和厚度（tr）這2個參數進行無量綱化，令D為主材外徑，T為主材壁厚，取R/D和tr/T為變量。圖4給出了當主材規格確定時，改變環板的規格所得到節點的破壞形態結果。

由圖4可知，當R/D或tr/T較小時，節點的破壞形態表現為“主材變形”。當R/D或tr/T增加到一定程度后，節點的破壞形態表現為“組合變形”，說明此時節點的破壞會首先從主材呈現，環板的影響變弱。

根據試驗和仿真分析的結果，結合文獻[11]中承載力計算公式，研究通過回歸分析得到環板尺寸的建議設計范圍如下：

圖4給出了式（1）的計算結果，可以發現式（1）能夠較好地預估節點的失效模式。當節點尺寸滿足式（1）時，節點將表現為主材變形；當節點尺寸不滿足式（1）時，節點將表現為組合變形。在對管板節點進行90°環形加勁設計時，建議節點的尺寸滿足式（1），使節點的破壞表現為組合變形，避免尺寸過大的環板對材料的浪費。

4結語

（1）節點的失效是由主材和環板剛度共同作用的結果，節點的失效發生在剛度較弱的部分。當環板尺寸較小時，節點的失效表現為“組合變形”，主材發生凹陷和環板發生翹曲。當環板的高度或厚度較大時，環板的剛度足夠，節點的失效會從主材開始，表現為主材凹陷而環板基本不變形，即“主材變形”；

（2）當主材規格確定后，持續增加環板的高度或者厚度，只能單方面的增加環板的剛度，而節點最終均會從主材發生失效，環板的材料不能得到充分的利用，會造成材料的浪費；

（3）通過回歸分析提出90°環形加勁設計建議。建議節點的尺寸滿足式（1），使節點的破壞表現為組合變形，避免尺寸過大的環板對材料的浪費。

【參考文獻】

[1]邵帥，郭勇，楊風利，等.大跨越輸電高塔發展歷程及其結構承載性能研究綜述[J].中國電機工程學報，2022，42（S1）：313-331.

[2]閆雪嬌.大管徑長輸熱網特殊節點處理及保溫管道設計[J].粘接，2023，50（7）：194-196.

[3]李斌，程亞超，牛麗華，等.鋼管混凝土風電塔架K型焊接管板節點參數研究[J].重慶理工大學學報（自然科學），2020，34（3）：179-184.

[4]孫凱琦，高春彥.圓鋼管混凝土K型管板節點承載力計算模型研究[J].工業建筑，2023，53（S1）：363-367.

[5]范余哲，王萬禎，黃益洲，等.覆板和加勁板加強的Q460C方鋼管X型節點試驗[J].寧波大學學報（理工版），2023，36（5）：56-58.

[6]王慶龍.膠粘劑在大型鋼結構建筑工程施工中的應用[J].粘接，2022，49（1）：192-196.

[7]王宇航，王光釗，周緒紅，等.鋼管混凝土加勁環管板節點受力性能研究[J].建筑鋼結構進展，2023，25（2）：1-13.

[8]陳梁金，陳勇，夏華麗，等.大跨越鋼管塔加勁節點外環板的有效翼緣寬度[J].工業建筑，2019，49（1）：170-176.

[9]蘇志鋼，朱彬榮，李清華.鋼管輸電塔K節點承載力算法的優化研究[J].浙江工業大學學報，2021，49（4）：397-402.

[10]鄢秀慶，何松洋，李正良，等.輸電塔斜材不同節點型式下的受壓承載力[J].西南交通大學學報，2023，59（3）：712-719.

[11]劉紅軍，李正良.基于鋼管控制的插板連接節點受彎性能研究[J].土木工程學報，2011，44（2）：21-27.

[12]李曉露，呂寶華，陳澤群，等.輸電鋼管塔環板節點極限承載力的理論研究[J].應用力學學報，2013，30（1）：86-91.

[13]楊子燁，鄧洪洲.鋼管塔環型加肋空間節點抗彎性能分析[J].同濟大學學報（自然科學版），2018，47（1）：9-17.

[14]劉紅軍，李正良，李茂華.鋼管輸電塔環型加肋節點極限承載力研究[J].工程力學，2010，27（10）：65-73.

[15]嚴立新，王虎長，張陵，等.鋼管塔全環板節點極限承載力的試驗研究與有限元分析[J].電力建設，2013，34（4）：79-84.

[16]楊子燁.鋼管塔橫擔與塔身連接節點的受力性能及極限承載力研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2015.

[17]武永彩，唐光輝，屈訟昭，等.Q690耐張塔多環板空間節點力學性能研究[J].西安建筑科技大學學報：自然科學版，2021，53（3）：330-336.

[18]張斌.沿海強風環境下鋼結構超高層建筑風侵評估與施工技術研究[J].粘接，2023，50（3）：172-177.

（責任編輯：平海，蘇幔）